ES2319168T3 - Materiales compuestos obtenidos a partir de plastico y celulosa tratados. - Google Patents
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Abstract
Un material fibroso y poroso tratado, que se puede obtener a partir de un material fibroso y poroso no tratado, tratando el material no tratado con una solución orgánica de baja viscosidad, comprendiendo dicha solución orgánica de baja viscosidad: (a) un disolvente seleccionado de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol; (b) un componente de isocianato que es un mono- o poli-isocianato; (c) un peróxido orgánico; (d) una resina insaturada que es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido, o carboxilo; en el que el material fibroso y poroso no tratado es uno o más del grupo seleccionado de celulosa, lignina, material lignocelulósico y otras biofibras y polvos porosos de origen biológico, o sus mezclas.
Description
Materiales compuestos obtenidos a partir de
plástico y celulosa tratados.
Esta invención se refiere a materiales porosos y
fibrosos tratados, y a un método para obtener los mismos. Esta
invención se refiere además a un material compuesto que comprende el
presente material poroso y fibroso tratado, y a un método para
preparar el mismo. La presente invención se refiere también a un
producto hecho a partir del presente material compuesto, un
preconformado elaborado a partir del presente material compuesto y
una estructura de material compuesto elaborada a partir de al menos
un preconformado de la presente invención.
Los materiales compuestos orgánicos están
construidos de una matriz polimérica y un refuerzo fibroso, o en
forma de partículas sólidas duras. Los típicos materiales de
refuerzo son cargas inorgánicas tales como sílice, talco, alúmina,
esferas de vidrio, carbonato de calcio, polvos cerámicos, carburo de
silicio, fibras inorgánicas tales como vidrio, carbono, material
cerámico, boro, y fibras orgánicas tales como kevlar, celulosa,
lignina, y nailon. Cuando las partículas del material sólido
añadido son suficientemente pequeñas, y son compatibles con la
matriz polimérica, las propiedades de las mezclas son no lineales,
debido a la interacción de las partículas de polímero a nivel
molecular (Meter L. Maul, Nanocor Incorporated, Corporate Technical
Center, Arlington Heights, Illinois, EE.UU., en "Plastic
nanocomposites: the concept goes commercial" (Nanocompuestos
plásticos: el concepto se hace comercial). Estos materiales
compuestos se denominan nanocompuestos y exhiben mejor resistencia
y orden (permeabilidad, orientación, etc.).
Con el fin de estabilizar la composición de la
matriz polimérica y de los aditivos, es necesario algún agente
mediador. Se conocen agentes tensioactivos para estabilizar
soluciones compuestas de disolventes inmiscibles. El mismo fenómeno
tiene lugar en polímeros donde los polímeros de diferente estructura
molecular, al mezclarse juntos mediante fusión o en solución,
tienden a separarse en una estructura multifásica que da como
resultado una mezcla que tiene inferiores propiedades físicas,
comparadas con las de los componentes poliméricos originales. Con
el fin de mezclar conjuntamente mezclas de diferentes polímeros (que
tienen diferentes unidades básicas que se repiten, peso molecular,
índice de ramificación, polímeros que difieren en sus grupos finales
y colgantes o en la naturaleza de sus estereoisómeros, polímeros
con un diferente grado de reticulación o de las interacciones
ácido-base), se añadirán a la mezcla polimérica
entidades similares a los agentes tensioactivos. Estas entidades
similares a los agentes tensioactivos, conocidas como agentes
compatibilizantes, estabilizan la mezcla polimérica y dan lugar a
mejoradas propiedades mecánicas, físicas y químicas de la mezcla.
Los agentes compatibilizantes añadidos que son poliméricos,
estabilizan las fases y hacen posible crear composiciones homogéneas
multifásicas estables, con buena transferencia de tensión entre las
fases, con valor práctico (Datta Sudhin, Loshe David J.
"Polimeric compatibilizers - uses and benefits in polymer
blends" (Compatibilizantes poliméricos - Usos y ventajas en las
mezclas de polímeros). Hanser Publishers, 1996). Los agentes
compatibilizantes, además de estabilizar las interacciones
polímero-polímero, sirven además en la interfase
polímero-carga (Eastman publication
APG-10, julio de 1998), y especialmente en la
interfase polímero-celulosa (Andizej M. Krzysik y
otros, "Wood-polymer bonding in extruded y
nonwoven web composite panels". (Unión
madera-polímero en paneles de material compuesto
extruídos y en forma de bandas no tejidas). En el caso en donde se
mezcla una carga hidrófila o un refuerzo similar a la celulosa
junto con una matriz hidrófoba (por ejemplo polietileno o
polipropileno), la presencia del agente compatibilizante es
crucial. En semejante caso, el agente compatibilizante bloquea los
grupos hidroxilo y sella la superficie de la partícula (Documento
US 6.117.545; M. Krishnan y R. Narayan "Compatibilization of
biomass fibers with hydrophobic materials" (Compatibilización de
fibras de biomasa con materiales hidrófobos), Mat. Res. Soc. Symp.
Proc. (1992) 266, 93-104). El inconveniente de los
agentes compatibilizantes, que limita sus uso, es su precio
relativamente alto y su alta viscosidad. Además, la alta viscosidad
impone que se mezclarán únicamente en equipos a alta temperatura y
alto esfuerzo cortante (un extrusor, por ejemplo). El procedimiento
de incorporarlos en la mezcla complicada consume tiempo y energía, y
el objetivo del agente compatibilizante se limita a una superficie
específica. También su formulación son muy sensible a las
condiciones del tratamiento, y su tratamiento se limita a la
superficie exterior de las partículas y de las fibras, un severo
inconveniente cuando se trata con partículas porosas. Un
inconveniente más es que es muy difícil dirigir estos aditivos a
una superficie específica y, por eso, se consume un alto porcentaje
del aditivo en poros irrelevantes de las superficies/cargas.
Las combinaciones de agentes compatibilizantes y
nanocargas, o cargas microscópicas porosas, son problemáticas
debido a la alta superficie específica de la carga.
Otra aproximación para estabilizar una
composición de polímero(s) y aditivos puede ser el uso de
agentes de acoplamiento. Estos agentes, a diferencia de los agentes
compatibilizantes que encapsulan la fase polimérica en partículas,
son moléculas reactivas de bajo peso molecular que tienen
multifuncionalidad, lo que hace posible la formación de puentes
químicos entre el sólido y el polímero ("Tailoring Surfaces with
Silanes" (Diseño a medida de superficies con silanos), Chemtech,
Vol 7, 766-778, 1977). El modo de acción de los
agentes de acoplamiento es la formación de enlaces
covalentes/iónicos con los diferentes componentes. Sus ventajas son:
buena penetración en los materiales porosos, alta reactividad,
compatibilidad inorgánica, facilidad de aplicación utilizando un
equipo de mezcla de coste relativamente bajo. Sin embargo, son
volátiles (lo que provoca problemas económicos y ambientales), y
tienden a emigrar desde las interfases, siendo por eso agentes
compatibilizantes pobres. Además, su espectro de reactividad
química es bastante limitado.
El tratamiento previo de cargas celulósicas,
mediante monómeros y oligómeros reactivos de bajo peso molecular,
está descrito por M. Krishnan y R. Narayan en " Compatibilization
of biomass fibers with hydrophobic materials" (Compatibilización
de fibras de biomasa con materiales hidrófobos), Mat. Res. Soc.
Symp. Proc. (1992) 266, 93-104, y por Rajeev
Karnani y colaboradores, "Biofiber-Reinforced
Polypropylene Composites" (Materiales compuestos de
polipropileno, reforzados con biofibras), Polymer Eng. Y Sci. (1997)
37, 476-483. La técnica anterior usa ingredientes
simples pero relativamente caros, como los isocianatos o los
silanos. Las propiedades mecánicas de la interfase resultantes son
frágiles y la flexibilidad del diseño está limitada en sus
propiedades. Los materiales compuestos de fibras celulósicas y de
nanocompuestos están descritos, por ejemplo, en el documento US
6.103.790 - "Cellulosic microfibril reinforced polymers and their
application" (Polímeros reforzados con microfibras celulósicas,
y sus aplicaciones), en el documento US 5.973.035 - "Cellulosic
fiber composites" (Materiales compuestos de fibras celulósicas),
y en el documento US 6.066.680 - "Extrudable composite of polymer
and wood flour" (Material compuesto extruíble de polímero madera
finamente pulverizada).
El documento
US-A-4.791.020 describe un material
compuesto que comprende fibras de celulosa discontinuas dispersas
en una matriz de polietileno y unidas a ella mediante un agente
enlazante que contiene al menos un grupo isocianato.
En el documento GB 1.042.703, se describe una
laca o adhesivo basado en un poliéster insaturado o un
poliisocianato orgánico que comprende un producto que resulta de la
mezcla en solución, en un disolvente orgánico, de un poliéster
insaturado, un poliisocianato orgánico, un agente modificador
insaturado, que tiene un grupo funcional que es reactivo con los
grupos -NCO libres del poliisocianato, y un peróxido orgánico.
La presente invención se basa en un nuevo
concepto para unir un material fibroso y poroso y un polímero para
producir un material compuesto. Según la invención, se trata un
material fibroso y poroso para formar un componente interfásico
sobre dicho material fibroso y poroso que se puede unir luego al
polímero. Como resultado del tratamiento, los sitios activos que
pueden absorber humedad se bloquean y se obtiene, de ese modo, un
producto de un material compuesto impermeable al agua, fuerte y
apretado.
La presente invención proporciona un material
fibroso y poroso tratado, que se puede obtener a partir de un
material fibroso y poroso no tratado, comprendiendo el material no
tratado sitios reactivos originales, caracterizándose el material
tratado porque:
- (i)
- tiene un número reducido de sitios reactivos originales comparado con el material no tratado.
- (ii)
- tiene una superficie específica reducida;
- (iii)
- tiene un alto contenido de nitrógeno, comparado con el material no tratado, y
- (iv)
- comprende grupos reactivos capaces de acoplarse a los polímeros.
Según una realización preferida, el material
fibroso y poroso tratado tiene un alto contenido de grupos
aromáticos comparado con el producto no tratado. Los grupos
aromáticos son, preferiblemente, grupos fenilo, que forman
normalmente parte del polímero de estireno, oligómero o red
reticulada que está unida al producto fibroso tratado.
Normalmente, los sitios reactivos originales en
el material fibroso y poroso se unen a un componente de isocianato,
que es un oligómero de mono- o poli-isocianato.
Según una realización, los grupos mono- y
poli-isocianato se unen a una resina de poliéster
insaturado.
El producto fibroso tratado puede ser fibras
naturales de celulosa, lignina, lignocelulosa, y otras biofibras y
polvos porosos de origen biológico o sus mezclas. Una realización
preferida de la invención es un material poroso que es un material
natural basado en la celulosa. La celulosa puede estar en forma de
fragmentos de madera, papel reciclado, fragmentos o polvo de papel,
serrín, o sus mezclas. Según una realización, la celulosa es papel
de periódico.
El material fibroso y poroso se puede obtener a
partir de un material fibroso y poroso no tratado, mediante el
tratamiento del material no tratado con una solución orgánica de
baja viscosidad que comprende un disolvente orgánico seleccionado
de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona
o alcohol, un componente de isocianato que es un mono- o
poli-isocianato y una resina insaturada. La resina
insaturada es, normalmente, poliéster que contiene hidroxilo,
epóxido, o carboxilo, que puede ser aromática. La solución orgánica
comprende además uno o más compuestos seleccionados del grupo
consistente en estireno que puede ser un oligómero o poliestireno,
monómero vinílico, órganosilanos, órganotitanio y organocirconio, y
un peróxido orgánico.
La invención proporciona un material fibroso y
poroso tratado, que se puede obtener a partir de un material
fibroso y poroso no tratado, mediante el tratamiento del material no
tratado con una solución orgánica de baja viscosidad, comprendiendo
dicha solución orgánica de baja viscosidad:
- (a)
- un disolvente seleccionado de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol;
- (b)
- un componente de isocianato que es un mono- o poli-isocianato;
- (c)
- un peróxido orgánico;
- (d)
- una resina insaturada que es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido, o carboxilo, que puede ser aromática.
La invención proporciona también un método para
tratar un material fibroso y poroso que tiene sitios reactivos
originales, comprendiendo el método: mezclar dicho material fibroso
y poroso con una solución orgánica de baja viscosidad,
comprendiendo dicha solución orgánica de baja viscosidad (a) un
disolvente orgánico seleccionado de disolvente halogenado,
aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol, (b) un
componente de isocianato que es un mono- o
poli-isocianato, (c) un peróxido orgánico y (d) una
resina insaturada que es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido,
o carboxilo, que puede ser aromática. La solución orgánica puede
comprender además uno o más compuestos seleccionados del grupo
consistente en estireno que puede ser un oligómero o poliestireno,
un monómero vinílico, órganosilanos, órganotitanio y
órganocirconio.
La invención proporciona además también un
material compuesto que comprende el presente material fibroso y
poroso y un polímero. Un componente interfásico que comprende al
menos un agente que contiene nitrógeno que está covalentemente
unido a dicho material fibroso y poroso y a dicho polímero, por lo
que dicho materia fibrosos en dicho material compuesto tiene un
contenido más alto de nitrógeno comparado con el material fibroso
idéntico de un material compuesto, hecho de dicho material fibroso
idéntico, y dicho polímero sin dicho componente.
El agente que contiene nitrógeno en dicho
material compuesto está normalmente compuesto por mono- y
poli-isocianato. El mono- o el
poli-isocianato están normalmente unidos a una
resina de poliéster.
Según una realización preferida de la invención,
el material compuesto se caracteriza también porque el componente
interfásico comprende también un agente que tiene grupos aromáticos,
por lo que el material fibrosos en dicho material compuesto
comprende un contenido más alto de grupos aromáticos comparado con
un idéntico material fibroso de un material compuesto que está
hecho del idéntico material fibroso y del polímero, pero sin dicho
componente interfásico. Dicho agente con grupos aromáticos es,
normalmente, una resina aromática como por ejemplo un
poliestireno.
Según otra realización preferida, dicho
componente está compuesto también por una resina de poliéster, por
ejemplo hidroxílica, epoxídica o carboxilica, que contiene
poliéster.
El polímero en el material compuesto puede ser
uno o más del grupo consistente en polímeros termoplásticos o
termoestables, sus mezclas o productos multicapas o
multicomponentes, o sus mezclas.
Ejemplos del polímero son uno o más del grupo
consistente en polietileno y sus compolímeros, polipropileno y sus
copolímeros, poliestireno y sus copolímeros, policarbonato,
siliconas y sus copolímeros, polibutileno, poli(terfetalato
de etileno), poliuretano, polímero epoxídico, poliésteres
insaturados, ésteres y éteres vinílicos, resinas acrílicas, y sus
copolímeros, poliamidas, polímeros fenólicos, resinas amínicas,
polímeros alquídicos, poliimidas, poliéteres, poli(cloruro
de vinilo), y sus copolímeros, nailon y sus mezclas.
Una fuente adecuada para dicho polímero son los
residuos industriales o domésticos.
La presente invención proporciona también un
método para preparar un material compuesto que comprende un material
fibroso y poroso y un polímero, comprendiendo el método:
- (i)
- mezclar dicho material fibroso y poroso con una solución orgánica de baja viscosidad, comprendiendo dicha solución orgánica de baja viscosidad (a) un disolvente orgánico seleccionado de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol, (b) un componente de isocianato que es un mono- o poli-isocianato, (c) un peróxido orgánico y (d) una resina insaturada, en la que la resina insaturada es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido, o carboxilo, que puede ser aromática, para producir un material fibroso tratado;
- (ii)
- mezclar dicho material tratado seco con el polímero;
- (iii)
- calentar la mezcla para fundir dicho polímero; y
- (iv)
- conformar la composición fundida en la forma deseada.
La presente invención proporciona también un
método para preparar un material compuesto, donde un proceso de
secado precede al paso de mezclar con un polímero, el material
fibroso y poroso tratado.
La presente invención proporciona también un
producto hecho del material compuesto de la invención, o preparado
mediante al anterior método para preparar semejante material
compuesto. Dicho producto puede ser una barra, tubo o perfil
extruídos, una lámina preconformada, o puede estar en forma de
pelets. El producto de la invención puede conformarse en una
diversidad de diferentes productos acabados, siendo ejemplos no
limitadores, planchas, tableros, palés para el transporte, una
película, un embellecedor para el interior automóviles o un elemento
de construcción. Además, el producto acabado de la invención puede
estar también en una forma que se parezca a la del papel, en forma
de fibras naturales o de plásticos, puede estar en la forma que se
parezca a una cartulina acanalada vieja, puede estar en forma de
papel blanco/de embalaje o puede prepararse de forma que se parezca
a la madera.
La presente invención proporciona además un
producto preconformado, elaborado a partir de dicho material
compuesto, dándole forma en un molde, rollo o en una cinta continua
para producir una lámina hecha de dicho material compuesto.
La presente invención proporciona también un
producto preconformado elaborado a partir del material compuesto de
la invención, impregnando dicho material compuesto en una tela
tejida, o no tejida, para producir una lámina hecha de dicha tela y
dicho material compuesto. Ejemplos de una tela semejante puede ser
una tela consistente en vidrio, material cerámico, kevlar, carbono,
metal, nailon, material basado en la celulosa, en un molde, rollos,
o una cinta continua.
La presente invención proporciona además una
estructura de material compuesto que se elabora calentando al menos
uno de dichos productos preconformados hasta un punto de
ablandamiento, por ejemplo una temperatura entre aproximadamente
130ºC y aproximadamente 230ºC, y presionando luego la lámina
precalentada en un molde, es decir en forma de moldeo por
compresión, o calentando dos o más de dichos productos preformados
diferentes hasta un punto de ablandamiento, y presionando las
láminas precalentadas en un molde, para dar una estructura
multicapas.
multicapas.
Se describe un sistema para llevar a cabo los
métodos anteriormente definidos. El sistema para llevar a cabo el
método para tratar el material fibroso y poroso comprende al menos
un subsistema para hacer reaccionar dicho material fibroso con
dicha solución orgánica y al menos un subsistema para retirar el
disolvente y secar dicho material fibroso.
El sistema para llevar a cabo el método para
preparar dicho producto, comprende un subsistema para llevar a cabo
los pasos (ii)-(iv) del procedimiento, como se definió
anteriormente, normalmente como un sistema de extrusión.
Con el fin de entender la invención, y ver cómo
se puede llevar a cabo en la práctica, se describirá ahora una
realización preferida, únicamente a modo de ejemplo no limitador,
haciendo referencia a los dibujos que se adjuntan, en los que:
La Figura 1 es una representación esquemática de
una fibra de celulosa tratada según la invención.
Las Figuras 2A y 2B son representaciones
esquemáticas de la estructura microscópica resultante, obtenida
mediante la presente invención (Fig. 2B), comparada con la
estructura obtenida usando agentes compatibilizantes de la técnica
anterior (Fig, 2A).
La Figura 3 es una representación esquemática de
la estructura microscópica de una porción de un material compuesto
según una realización de la invención.
La Figura 4 es un diagrama de flujo que describe
una realización de un método según la invención.
La Figura 5 es un diagrama de flujo de un método
según otra realización de la invención.
La Figura 6 es un diagrama de flujo de un método
según una realización más de la presente invención.
La Figura 7 es un diagrama de flujo de un método
según una realización más de la presente invención.
Las Figuras 8A y 8B muestran una comparación
entre un papel habitual y un papel tratado según la invención por
medio de su absorción del agua.
Las Figuras 9A y 9B muestran una comparación
entre un material compuesto de la técnica anterior (material
compuesto basado en polipropileno con celulosa) y un material
compuesto según la invención, por medio de sus impactos.
Las Figuras 10A y 10B muestran perfiles de las
temperaturas de termodistorsión de materiales compuestos según la
presente invención y polímeros comerciales conocidos.
La invención se describirá ahora haciendo
referencia a algunas realizaciones específicas no limitadoras. La
invención se ilustrará primero con referencia a los dibujos adjuntos
que serán seguidos por una más detallada descripción, más
adelante.
En primer lugar se hace referencia a la Figura
1, que es una representación esquemática de una fibra (20) de
celulosa tratada según la invención. La fibra de celulosa tiene una
pluralidad de sitios reactivos originales que, en este caso, son
grupos hidroxilo, que si se dejan libres pueden absorber humedad.
Haciendo reaccionar una fibra de celulosa con un grupo
mono-isocianato (24) o un grupo
poli-isocianato (26), los residuos isocianato se
unen a los grupos hidroxilo. El mono-isocianato (24)
o el poli-isocianato (26) se pueden unir también a
una resina, como por ejemplo una resina (28) de poliéster
insaturado. De esta forma, estos sitios reactivos ayudan a la
posterior unión de la fibra a un
polímero.
polímero.
También se hace uso, según una realización
preferida de la invención, de una resina aromática como por ejemplo
poliestireno (29) que tiene una afinidad hacia la fase lignina de la
fibra y se une a ella mediante asociación por afinidad. La resina
aromática también se puede unir a la matriz polimérica.
La resina de poliéster puede reaccionar con
polímeros mediante la ayuda de un peróxido orgánico, como se
represente mediante la flecha (30), para producir grupos reactivos
adicionales sobre la resina de poliéster. La resina de poliéster se
puede unir a polímeros representados por la línea recta (32) y la
línea ondulada (34). Habrá que indicar que mientras la reacción
ayudada por un peróxido orgánico aumenta el número de grupos
reactivos que se pueden unir a un polímero, la resina de poliéster
insaturado también se puede unir al polímero, incluso sin
reaccionar primero con el peróxido orgánico. El poliéster puede
reaccionar con polímeros de condensación mediante
transesterificación o transamidación, como se representa mediante la
flecha (36).
Ahora se hace referencia a la Figura 2A y la
Figura 2B, que muestran un material compuesto preparado según la
técnica anterior (Figura 2A) y preparada según la invención (Figura
2B). Como se ve en la Figura 2A, un producto fibroso, designado
generalmente (40), consiste en un número de fibrillas (42) y poros
(44) entre ellas. Los agentes compatibilizantes que se usan según
la técnica anterior son muy viscosos y, por eso, recubren la cara
exterior de la partícula fibrosa (40) para producir un recubrimiento
(46) y no penetran en los poros (44). Por eso, a modo de ejemplo,
la fibrilla (42A), en el interior de las partículas, no se une a los
agentes compatibilizantes y, en consecuencia, no se unirá tampoco
al polímero, absorberá humedad y la estructura interna no tendrá una
contribución mecánica al material compuesto.
Por el contrario, según la invención, la
solución orgánica de tratamiento tiene una baja viscosidad y puede
penetrar en todos lo poros (54) dentro de la partícula fibrosa (50).
Por eso, además de una fase polimérica (56) de recubrimiento, que
se une a la superficie externa de la partícula, todas la fibrillas
(52) internas están unidas también a una fase polimérica. De esta
forma, además de una resistencia incrementada, los sitios que, de
otra forma, absorben humedad están por ello bloqueados.
El hecho de que cada grupo reactivo en el
material fibroso y poroso puede jugar un papel en la unión al
polímero, se puede usar con provecho con el fin de conseguir un
material compuesto más fuerte y también con provecho al unir
conjuntamente polímeros no compatibles. Esto se ilustra
esquemáticamente en la Figura 3. Unidos a la fibra (60) porosa y
fibrosa, hay una pluralidad de grupos colgantes, cada uno de los
cuales está covalentemente unido a través de un grupo isocianato
(uretano, enlace alofanato o biuret) (véase la Figura 1) al residuo
hidroxílico de la cadena principal fibrosa. En este ejemplo, hay dos
grupos diferentes, (62) y (64). Los (62) se pueden unir, formando
una unión (62A) con un polímero (66), mientras que los grupos (64)
se pueden unir mediante la unión (64A) con el polímero (68). Por
eso, al mezclar estos dos diferentes polímeros juntos, se forma un
material compuesto con estos dos polímeros que se mantienen juntos
en una única matriz mediante el material fibroso y poroso
previamente tratado. Habrá que indicar que sin esta fibra, los
polímeros (66) y (68) no se unirían el uno al otro.
Según la técnica anterior, donde el agente
compatibilizante recubre toda la superficie externa de la fibra, y
el agente compatibilizante es soluble en las fases poliméricas, la
capacidad de usar las fibras para unir juntos diferentes polímeros
está más limitada. Por eso, un material compuesto preparado con
diferentes polímeros según la técnica anterior será menos fuerte
que el preparado según la invención.
A continuación, se describirán algunas
realizaciones de métodos según la invención. En estas realizaciones,
los materiales de partida son diferentes formas de papel. Se
apreciará, sin embargo, que la invención no se limita a ellas.
Haciendo primero referencia a la Figura 4, En el
primer paso (100), se granula el papel en forma de fragmentos con
un diámetro típico de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 mm. La
granulación se puede hacer según se conoce per se. En el
siguiente paso (102), se rocía sobre el papel una solución de
tratamiento, que es una solución orgánica de baja viscosidad que
comprende mono- y poli-isocianato, y un disolvente
orgánico en una resina insaturada. Un ejemplo típico es la solución
referida más adelante como CCA, que incluye los ingredientes
anteriormente mencionados, así como estireno y un peróxido orgánico.
Habrá que indicar que el estireno y el peróxido orgánico no son
esenciales, aunque se prefiere su inclusión. Otros agentes que se
pueden incluir en la solución de tratamiento son vinilo,
órganosilanos, órganotitanio u órganocirconio. Además de rociar, la
solución de tratamiento se puede aplicar en una diversidad de modos
diferentes tales como un simple remojo, atomización, etc.
Opcionalmente, el papel tratado puede secarse
luego, aunque esto no es esencial. En el siguiente paso, (104), el
papel del tratamiento se mezcla con un polímero y se calienta. El
aparato de mezcla y de calentamiento deberá estar provisto de
grandes aberturas de ventilación para permitir la liberación de la
humedad y de los disolventes que se separan en (106). Los productos
resultantes se conforman en pelets que se criban en (108), los
cuales se pueden usar luego para un tratamiento adicional de
laminación, moldeo en línea, o mediante moldeo por inyección, El
producto resultante puede ser conformado en láminas o tubos o
perfiles.
Se hace referencia ahora a la Figura 5, que
muestra otra realización de un método según la invención. En un
primer paso (120), se tritura el papel en fragmentos de un tamaño
entre aproximadamente 0,5 y aproximadamente 5 mm, y luego se trata
con una solución de tratamiento en (122), de forma similar a (102)
en la Figura 4. Luego se seca el papel tratado y la solución deberá
estar lista luego para mezclarla en seco, en (124), con un material
plástico con el fin de formar una placa plana. Durante este proceso,
se mezclan fibras cortas de origen natural, representada por el
bloque (126). En el siguiente paso (128), la mezcla se calienta en
un calentador transportador, por microondas o por IR, y se separan
el agua y los volátiles, normalmente en línea, representado por el
bloque (130). La mezcla calentada es sometida luego a moldeo por
compresión, en (132), para producir una lámina hecha de material
compuesto.
Se hace referencia ahora a la Figura 6. En un
primer paso (140) se tritura papel de embalaje o papel OCC (old
corrugated cardboard) (cartulina acanalada vieja) en fragmentos de
0,5 a aproximadamente 5 mm, y luego los fragmentos son sometidos a
una solución de tratamiento en (142), de forma similar al paso (102)
de la Figura 4. El papel tratado se mezcla luego, en (144), con un
material plástico mientras que se mezclan también fibras largas de
origen natural, representado por el bloque (146). Continuamente se
está retirando agua y volátiles, en (150). Después de mezclar y
calentar en (144), el material compuesto así formado puede ser
convertido, en (148), en pelets, perfiles, ser sometido a
laminación, moldeo en línea o moldeo por inyección. En el caso del
moldeo en línea o el moldeo por inyección, el paso (144) de mezcla
y calentamiento y el paso (148) de tratamiento se pueden llevar a
cabo de forma continua dentro de un extrusor.
Se hace referencia ahora a la Figura 7. En un
primer paso, se tritura primero papel de periódico, papel de
embalaje o papel OCC, en forma de fragmentos que tienen un tamaño de
aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 mm. El papel triturado se
pone en contacto luego con una solución de tratamiento en (162) de
forma similar a como se hizo en (142) de la Figura 6. Se añaden
fibras naturales tales como cáñamo, lino, sisal, kenaf, representado
por el bloque (164), con el fin de dar una resistencia extra, y una
resistencia al impacto al material compuesto posteriormente
formado. Además, se puede añadir tablillas y fragmentos de madera,
representado por el bloque (166), para dar una resistencia extra y
un mejor aspecto y tacto, similar a la madera, y conformar
posteriormente el material compuesto. El material polimérico en
esta realización es polímero virgen, residuo industrial o doméstico
que inicialmente es tratado en (168) mediante lavado, triturado y
secado para producir fragmentos que tienen un diámetro de
aproximadamente 0,5 a 15 mm. Estos fragmentos lavados, triturados y
secos se mezclan luego con el papel triturado, y con fibras
naturales y tablillas o fragmentos de madera, y se mezcla todo
junto, en (170), en un recipiente calentado que normalmente tiene
una gran abertura de ventilación para permitir la retirada del agua
y volátiles, representado por el bloque (172). Potencialmente, se
pueden añadir aditivos tales como fibras adicionales, pigmentos,
retardadores de la llama, cargas, agentes estabilizantes, y otros,
representado por el bloque (174).
A continuación, La mezcla calentada se puede
tratar luego de diferentes formas. Según una realización, este
material puede ser sometido luego a un conformado (180) en línea
para dar una placa, y el material así conformado puede ser sometido
luego, a continuación, a un moldeo (182) por compresión en línea,
representado por el bloque (184). Además, el material puede ser
introducido directamente en una (máquina 186 de moldeo por inyección
o una máquina (184) de extrusión de perfiles.
Mediante una realización más, el material
mezclado y tratado obtenido en (170), se puede peletizar en una
variedad de diferentes formas en (190), y estos pelets se pueden
luego transportar e introducir en una máquina (192) de moldeo por
inyección o una máquina (194) de moldeo por extrusión.
La presente invención proporciona un material
fibroso y poroso tratado, para usarlo como un aditivo reactivo para
materiales compuestos. El material fibroso y poroso tratado sirve
como un aditivo para la elaboración de materiales compuestos. El
material fibroso y poroso no tratado tiene una micro/nanoestructura
definida, con una buena relación de proporcionalidad, buena
estabilidad hidrolítica interna y alta resistencia y módulo. El
material tratado tiene sitios reactivos tales como, pero no
limitados a, hidroxilos, grupos ácidos o básicos, éteres, ésteres,
epóxidos, aminas, mercaptanos o dobles enlaces reactivos. Estos
grupos reactivos externos sirven como sitios de acoplamiento a
diferentes polímeros, y debido a la alta relación de
proporcionalidad, estabilizan las diferentes fases poliméricas
sobre la misma fibra - de ese modo lo "compatibiliza" en un
único efecto de compatibilización mecánica/química combinada (Fig.
3). Semejante material fibroso y poroso no tratado se puede
seleccionar de celulosa, lignina, materiales lignocelulósicos, y
otras biofibras y polvos porosos de origen biológico o sus mezclas.
Preferiblemente, el material poroso es celulosa o lignocelulosa, que
puede estar en forma de polvos de madera, material de papel de
periódico, fragmentos o polvo de papel, serrín, o sus mezclas. Muy
preferiblemente el material poroso es papel de periódico o cartulina
acanalada vieja (OCC). La conversión del agente fibroso y poroso en
un aditivo reactivo útil o carga para materiales compuestos se
puede llevar a cabo tratando el material fibroso y poroso con una
solución orgánica de baja viscosidad que comprende un disolvente
seleccionado de disolventes halogenados, aromáticos, alifáticos,
éteres, ésteres, cetonas y alcoholes, un componente isocianato que
es un mono- o poli-isocianato y una resina
insaturada. La solución orgánica de baja viscosidad puede
comprender además uno o más compuestos seleccionados de un peróxido
orgánico, monómero de estireno, oligómero o poliestireno, y
monómeros que contienen vinilo. La resina insaturada puede ser una
resina de poliéster insaturado que contiene hidroxilo o carboxilo,
que puede ser aromática. La solución causante trata la totalidad
del material poroso (Fig. 2B) a diferencia de los agentes
compatibilizantes conocidos, que modifican únicamente la superficie
mientras que la estructura porosa interna queda sin tratar como se
demuestra en la Fig. 2A (técnica anterior). La solución orgánica con
su contenido, de hora en adelante definida como CCA (Cycletec
Coupling Agent) (Agente de acoplamiento Cycletec) puede ser
considerada como un agente compatibilizante que penetra entre todas
y cada una de las fibras, y no sólo en la superficie exterior. A
diferencia de los agentes compatibilizantes poliméricos que son
miscibles en los ingredientes poliméricos, que origina por eso una
competencia entre las fases y las interfases, los polvos/fibras
porosas tratados con CCA, funcionan como refuerzo y como agente
compatibilizante al mismo tiempo. Una fibrilla que tiene
multifuncionalidad y atraviesa dos fases, las refuerza, pero
también limita su tendencia a separarse. El material compuesto está
constituido por una matriz polimérica y el material fibroso y poroso
tratado. La matriz puede ser de polímeros termoplásticos o
termoestables. Una buena fuente de plásticos de bajo coste para
elaborar estos materiales compuestos son los residuos plásticos,
especialmente los residuos posteriores al
consumo.
consumo.
Por eso, la presente invención hace uso de un
agente reactivo de acoplamiento, muy penetrante y de bajo coste,
con una cadena carbonada hidrolítica fuerte, resistente y estable, y
un amplio espectro de pesos moleculares, de 100 Dalton a 100000
Dalton. Tiene la simplicidad de aplicación del agente de
acoplamiento con la capacidad de compatibilización de los agente
compatibilizantes de alto peso molecular. El modo de acción del
agente compatibilizante de la presente invención es que los
poliésteres insaturados reaccionan con poliolefinas debido a la
reacción de injerto iniciada por el peróxido a elevadas
temperaturas, y con poliésteres termoplásticos debido a la
trans-esterificación, y refuerzan la nanoestructura
porosa interna de la fibra, y eliminan de ese modo la necesidad de
mezclarse muy agresivamente con la matriz termoplástica. El
compuesto de isocianato reacciona rápidamente con los hidroxilos de
la carga, y con los grupos hidroxilo y carboxilo del poliéster
insaturado, y actúa de ese modo como un agente de acoplamiento y
como un agente reticulante para el poliéster. Se crea una unión
covalente entre la celulosa y la red de
poliéster-isocianato. Debido a la alta afinidad del
isocianato hacia los grupos hidroxilo, la carga tratada resultante
es extremadamente hidrófoba e hidrolíticamente estable. La
naturaleza aromática del poliéster insaturado y del isocianato
basado en MDI, es responsable de la destacada estabilidad química e
hidrolítica. El monómero de estireno funciona como
disolvente/soporte y reacciona con polímeros estirénicos en la
matriz (por eso funciona como un agente de acoplamiento) y, con la
fase lignina de la carga. El material fibroso y poroso tratado
resultante es una nano/microestructura de material compuesto que
tiene propiedades equilibradas desde la nano-escala
a la escala macroscópica. Debido a la alta reactividad del estireno
y del poliéster insaturado, el material fibroso y poroso tratado es
reactivo con poliolefinas, polímeros vinílicos y estirénicos, PET y
poliuretano. La cantidad de disolvente añadido que forma la
solución de tratamiento es de aproximadamente 0,01 a aproximadamente
20 g por cada 100 g de material fibroso y poroso, y de
aproximadamente 0,1 g a aproximadamente 25 g de la solución por cada
100 g de material fibroso y poroso.
Habrá que entender que la parte interna del
material fibroso y poroso tratado por el CCA se modifica. Las
fibrillas o partículas internas, que no son tratadas por un agente
compatibilizante común, se modifican químicamente y se refuerzan
físicamente mediante el sistema asistido por el disolvente. Además,
los poros entre las fibras, que se dejan sin tratar por el agente
compatibilizante de la técnica anterior, debido al hecho de que el
agente compatibilizante no puede penetrar dentro, son
llenados/modificados por los diversos ingredientes para formar una
red interna reticulada de nanomateriales compuestos. Además, el
llenado de los poros hace que el agua y la humedad salgan de los
poros. La superficie específica reducida, la permeabilidad al
oxígeno limitada, y los grupos uretano, hacen a la celulosa tratada
resistente a la oxidación y mucho menos inflamable. Este cambio
principal en la parte interna del material fibroso y poroso tiene
ventajas significativas.
A continuación del tratamiento del material
fibroso y poroso con CCA, se puede retirar el disolvente. El
material tratado resultante, que puede ser un polvo o fragmentos,
dependiendo del material de partida, que puede considerarse como un
producto que está solo, es hidrófobo y se puede almacenar a
temperatura ambiente durante un periodo de unos pocos meses, sin
disminución de la reactividad química. La absorción de agua es
despreciable, incluso cuando se tratan polvos celulósicos de alta
superficie específica.
El tratamiento con CCA reduce drásticamente la
superficie específica y la permeabilidad del oxígeno. Por eso las
cargas y las fibras basadas en la celulosa, tratada mediante CCA,
son menos inflamables, y los materiales compuestos elaborados son
menos inflamables, y se minimiza la tendencia de la carga a arder
durante la mezcla/moldeo. Además, el CCA contiene grupos que forman
cianurato que crean, de ese modo, un retardo de la llama (FR) que
potencialmente se puede agrandar.
El material fibroso está seco, es hidrófobo y no
tiene que secarse antes de su conducción al siguiente paso de
reacción con el polímero para formar el material compuesto.
Semejante etapa de secado es cara, y es un conocido cuello de
botella en el procedimiento de elaboración de materiales compuestos
a partir de, por ejemplo, plásticos y cagas de celulosa y madera
finamente pulverizada.
Debido al hecho de que las fibras tratadas con
CCA son muy reactivas, tiene lugar una compatibilización durante
cortos periodos de tiempo de residencia con los plásticos fundidos.
No hay necesidad de aplicación de energía mecánica masiva ni
dedicar equipos caros (normalmente un extrusor de doble tornillo
co/contra/cónico) para forzar al polímero fundido hacia el material
fibroso y poroso. La fibra/carga tratada con CCA se crea en
condiciones ambientales con alguna, o mínima, energía mecánica. A
diferencia de otros materiales compuestos cargados con celulosa,
que requieren extrusores agresivos y caros - tornillos dobles con
una relación L/D mayoritariamente alta, el procedimiento con CCA
necesita únicamente el 5-20% de energía y se puede
elaborar en todas las máquinas de extrusión que incluyen relaciones
L/D cortas, tornillos simples que son drásticamente más baratos en
coste de capital y de consumo de energía.
El hecho de que la fibra tratada sea ya, por sí
misma, un material compuesto, hace posible el uso de polvos o
fragmentos gruesos, ahorrando de esa manera energía de molienda
normalmente implicada en la técnica anterior. El tratamiento del
material fibroso y poroso puede hacerse sobre polvo o sobre
fragmentos granulados de 2-10 mm. Debido al alto
grado de modificación y de impregnación, son posibles máquinas de
mezcla más simples y de coste eficaz (mezcla seca con polvo de
polímero seguido por el calentamiento y moldeo, o extrusor de
tornillo único, o mezclador continuo con tornillo único). Las
Figuras 4-7 demuestran algunos posibles
procedimientos de producción, no limitadores, que se pueden llevar
a cabo.
La invención se describirá ahora mediante los
siguientes ejemplos no limitadores.
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Ejemplo
1
Se preparó Agente 1 de acoplamiento Cycletec
(CCA1, producido por Cycletec Ltd., Israel). El CCA1 se obtuvo
mezclando 2,37 kg de resina de poliéster insaturado que contenía
reactividad hidroxílica y/o carboxílica, 120 g de poliisocianato
(oligómero MDI), 36 g de peróxido orgánico (peróxido de dicumilo) y
630 g de disolvente orgánico (acetato de butilo). La solución se
mezcló con 21,8 kg de fragmentos de papel de periódico
(2-5 mm), en un mezclador planetario a temperatura
ambiente, durante 10 minutos. Se añadieron y se mezclaron durante
10 minutos, 25,7 kg de mezcla de plástico obtenido después de su
consumo (90% de HDPE, 5% de PP, 5% de material multicapas para
embalaje) desmenuzado en fragmentos de 2-5 mm. El
acetato de butilo se regeneró mediante condensación/vacío a 80ºC.
Se calentó la mezcla a 135ºC bajo una presión de 1013 kPa, durante 5
minutos, para crear un preconformado compacto. El preconformado se
calentó a 150ºC durante 45 minutos en un horno de convección hasta
que todos los fragmentos del polímero se ablandaron y se volvieron
pegajosos, y se comprimió a 180ºC, bajo una presión de 4560 kPa
durante 5 minutos, y la temperatura de desmoldeado fue de 70ºC. El
material es rígido, con un módulo de flexión de 2550 MPa y una
resistencia a la flexión 45 MPa. La absorción de agua es inferior al
0,5% (a pesar del hecho de que aproximadamente el 50% del material
es celulosa). A diferencia de los materiales compuestos estándar
basados en celulosa que sufren oxidación (combustión) de la celulosa
durante el moldeo, este material compuesto era de color brillante y
no tenía olor a humo.
Se consiguieron resultados muy similares cuando
se usó HDPE virgen como matriz polimérica.
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Ejemplo
2
Se preparó Agente de acoplamiento Cycletec (CCA,
producido por Cycletec Ltd., Israel). El CCA se obtuvo mezclando
2,37 kg de resina de poliéster insaturado que contiene reactividad
hidroxílica y/o carboxílica, 120 g de isocianato (oligómero MDI),
36 g de peróxido orgánico (peróxido de dicumilo) y 630 g de
disolvente orgánico (acetato de butilo). La solución se mezcló con
21,8 kg de fragmentos de papel de periódico (2-5
mm), en un mezclador planetario a temperatura ambiente durante 10
minutos. El acetato de butilo se regeneró mediante
condensación/vacío a 80ºC. El material tratado resultante es
hidrófobo como se puede comprender comparando la
adsorción/hundimiento del papel de periódico en agua respecto a la
flotación total del papel de periódico tratado con CCA (véase la
Figura 8).
La mezcla se introdujo en un extrusor de doble
tornillo co-giratorio (Sinoalloy, 50 mm, temperatura
150-200ºC a lo largo del extrusor) con resina de
HDPE y adyuvante del tratamiento (68,5% de resina HYPE, MFI = 6 +
1,5% de resina LDPE como lubricante + 30% de papel de periódico
tratado con CCA) y se le dio forma de hebras de 3 mm de diámetro y
cortes en forma de pelets de 3-5 mm. Se secaron los
pelets a 100ºC durante 12 horas, luego se volvió a calentar a
180ºC, y se moldeó a 140ºC (temperatura del molde), se ejerció una
fuerza de 8 toneladas para un tamaño de molde de 30 \times 30,
mantenida durante 5 minutos. La temperatura de desmoldeado fue de
90ºC.
El material obtenido es rígido y fuerte, con una
resistencia a la flexión de 35 MPa, un módulo de 1545 MPa y una
consistencia lisa y reluciente. La absorción de agua después de 24
horas en el ambiente fue del 0,1-0,4%.
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Ejemplo
3
Composición del CCA: 500 g de poliéster
insaturado (resina 555 de Makhteshim) + 200 g de resina de
isocianato MDI (Desmodur 44/20 MDI de Bayer) + 7 g de peróxido de
dicumilo + 100 g de acetato de butilo. Se roció el CCA mediante un
atomizador sin aire sobre 10 kg de papel (fragmentos secos de papel
de periódico de 2-5 mm) durante la mezcla en un
mezclador planetario. Se realizó la mezcla durante 10 minutos más, y
se secó a 100ºC durante 4 horas. Los trozos de papel de periódico
tratados se mezclaron con gránulos de plástico obtenidos a partir
de botellas de color moldeadas por soplado (90-85%
de HDPE) en una relación de 30% en peso de papel de periódico y 70%
en peso de plástico en un extrusor de doble tornillo
co-giratorio (Sinoalloy, 50 mm, temperatura
150-200ºC a lo largo del extrusor) en hebras de 3 mm
de diámetro y cortes en forma de pelets de 3-5 mm.
Se secaron los pelets a 100ºC durante 12 horas, luego se moldearon
por inyección mediante una máquina estándar para dar muestras en
forma de huesos de perro con consistencia muy lisa sin combustión de
papel. Las propiedades de las láminas moldeadas son:
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Ejemplo
4
Composición del CCA: 500 g de poliéster
insaturado (resina 555 de Makhteshim) + 200 g de resina de
isocianato MDI (Desmodur 44/20 MDI de Bayer) + 7 g de peróxido de
dicumilo + 100 g de acetato de butilo. Se roció el CCA mediante un
atomizador sin aire sobre 10 kg de papel (fragmentos secos de papel
de periódico de 2-5 mm) durante la mezcla en un
mezclador planetario. Se realizó la mezcla durante 10 minutos más, y
se secó a 100ºC durante 4 horas. Los fragmentos de papel de
periódico tratados se mezclaron con gránulos de PP (Capilene SU75AV
de Carmel Olefins, Israel) en una relación de 50% en peso de papel
de periódico y 50% en peso de plástico, en un extrusor de doble
tornillo co-giratorio (Sinoalloy, 50 mm, temperatura
150-230ºC a lo largo del extrusor) en hebras de 3
mm de diámetro y cortes en forma de pelets de 3-5
mm. Se secaron los pelets a 100ºC durante 12 horas, luego se
moldearon por inyección mediante una máquina estándar para dar
muestras en forma de huesos de perro, con consistencia muy lisa sin
combustión de papel. Las propiedades de las láminas moldeadas
son:
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\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
5
Composición del CCA: 600 g de poliéster
insaturado (resina 555 de Makhteshim) + 100 g de resina de
isocianato MDI (Desmodur 44/20 MDI de Bayer) + 7 g de peróxido de
dicumilo + 100 g de acetato de butilo. Se roció el CCA mediante un
atomizador sin aire sobre 10 kg de papel (polvo de OCC seco, de 0,5
mm) durante la mezcla en un mezclador planetario. Se realizó la
mezcla durante 10 minutos más, y se añadió polvo de talco (170 g),
y se dispersó sobre el polvo húmedo. El talco aumenta la fluidez del
polvo y evita los problemas de formación de cavidades durante la
alimentación del extrusor. Las fibras tratadas se secaron a 100ºC
durante 4 horas. El polvo de papel tratado se mezcló con gránulos
de PP (Capilene SU75AV de Carmel Olefins, Israel) en una relación
de 35% en peso de papel de periódico y 70% en peso de plástico en un
extrusor de doble tornillo co-giratorio (Sinoalloy,
50 mm, temperatura 150-230ºC, hacia abajo del
extrusor) en hebras de 3 mm de diámetro y cortes en forma de pelets
de 3-5 mm. Se secaron los pelets a 100ºC durante 12
horas, luego se moldearon por inyección mediante una máquina
estándar para dar muestras en forma de huesos de perro, con
consistencia muy lisa sin combustión de papel. Las propiedades de
las láminas moldeadas son:
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Ejemplo
6
Se preparó Agente 1 de acoplamiento Cycletec
(CCA1, producido por Cycletec Ltd., Israel). El CCA1 se obtuvo
mezclando 2,37 kg de resina de poliéster insaturado que contenía
reactividad hidroxílica y/o carboxílica, 120 g de poliisocianato
(oligómero MDI), 36 g de peróxido orgánico (peróxido de dicumilo) y
630 g de disolvente orgánico (acetato de butilo). La solución se
mezcló con 21,8 kg de fragmentos de papel de periódico
(2-5 mm), en un mezclador planetario a temperatura
ambiente durante 10 minutos. La mezcla resultante se presurizó bajo
una presión de 1013 kPa a una temperatura de 35ºC, durante 5
minutos, para crear un preconformado compacto. El preconformado se
precalentó a 150ºC y se presurizó a 180ºC bajo una presión de 4560
kPa durante 50 minutos. La temperatura de desmoldeado fue de 70ºC.
Las propiedades mecánicas se describen en la Tabla I.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Ejemplo
7
Se aplicó una mezcla de Derakane®
(510A-40 de Dow), 1% (peso/peso) de peróxido de
dicumilo y 5% (peso/peso) de trióxido de antimonio sobre
E-glass no tejido (Owens, 255 g/m^{2}). Se lamina
un material compuesto, obtenido como en el ejemplo 1, mediante el
pre-preg (un tejido de fibras reforzadas,
impregnadas por una resina termoestable en
fase-\alpha o en fase-\beta) a
una temperatura de 165ºC que da como resultado una estructura
sándwich mostrada en la figura 2. Las propiedades físicas de la
estructura resultante son: Resistencia a la flexión de 60,31 MPa,
módulo de flexión de 4468 MPa y el impacto es 2 veces mejor que el
núcleo original. Resistencia a la llama: el material del núcleo se
quema después de una ignición de 15 segundos. La versión no
reforzada (forro de Derakane sobre núcleo estándar) arde durante 10
segundos, el fuego se fue encontrando con las grietas de la
superficie. La versión reforzada paró el fuego inmediatamente
después de que la llama se retirara (V-0).
\newpage
Ejemplo
8
Composición del CCA: 300 g de resina de
poliéster insaturado (resina 44383 de Reichhold) + 300 g de
poliéster insaturado (resina 31830 de Reichhold), 100 g de resina de
isocianato MDI (Desmodur 44/20 MDI de Bayer) + 7 g de peróxido de
dicumilo + 100 g de acetato de butilo. El CCA se roció con un
atomizador sin aire sobre 10 kg de papel (fragmentos secos de papel
de periódico de 2 mm) durante la mezcla en un mezclador planetario.
Se realizó la mezcla durante 10 minutos más y se secó a 100ºC
durante 4 horas. Los polvos de papel tratados se mezclaron con
trozos de HDPE procedentes de botellas, a modo de gránulos (de
Amnir, Israel), en una relación de 30% en peso de papel tratado con
CCA y 70% en peso de plástico, en un extrusor de doble tornillo
co-giratorio (Sinoalloy, 50 mm, temperatura
150-200ºC hacia abajo del extrusor) en hebras de 3
mm de diámetro y cortes en forma de pelets de 3-5
mm. Se secaron los pelets a 100ºC durante 12 horas, luego se
moldearon por inyección mediante una máquina estándar para dar
muestras en forma de huesos de perro con consistencia muy lisa sin
combustión de papel. Las propiedades de los materiales compuestos
resultantes se resumen abajo:
Ejemplo
9
Composición del CCA: 600 g de poliéster
insaturado (resina 555 de Makhteshim) + 100 g de resina de
isocianato MDI (Desmodur 44/20 MDI de Bayer) + 7 g de peróxido de
dicumilo + 100 g de acetato de butilo. Se roció el CCA mediante un
atomizador sin aire sobre 10 kg de papel (fragmentos secos de papel
de periódico de 2-5 mm) durante la mezcla en un
mezclador planetario. Se realizó la mezcla durante 10 minutos más y
se secó a 100ºC durante 4 horas. Los fragmentos de papel de
periódico tratados se mezclaron con gránulos de plástico de PP
(Capilene SU75AV de Carmel Olefins, Israel) en una relación de 25%
en peso de papel de periódico y 75% en peso de plástico en un
extrusor de doble tornillo co-giratorio (Sinoalloy,
50 mm, temperatura 150-200ºC a lo largo del
extrusor) en hebras de 3 mm de diámetro y cortes en forma de pelets
de 3-5 mm. Se secaron los pelets a 100ºC durante 12
horas, luego se moldearon por inyección mediante una máquina
estándar para dar muestras en forma de huesos de perro con
consistencia muy lisa sin combustión de papel. Las propiedades de
las láminas moldeadas se resumen abajo:
El impacto también se comprobó mediante el
aparato con dardo de caída (máquina Dynatup, ASTM D-
3763-00). Los resultados se resumen en la tabla de
abajo:
Es evidente que la introducción de fibras cortas
de papel de periódico en la matriz de PP originó menor deterioro en
la resistencia al impacto. El moldeo a temperatura más baja da
mejores propiedades debido a la mejor homogeneidad durante el
flujo. Otra cuestión importante es la tenacidad, como se puede ver
en las Figuras 9A y 9B. Es evidente que las grietas se propagan de
manera catastrófica en el PP sin mezcla (9A), pero se localizan y
minimizan en el material compuesto de PP y papel tratado con CCA
(9B).
Otra importante propiedad del material compuesto
de PP y papel tratado con CCA es la resistencia al doblado y la
deflexión a temperaturas elevadas, una propiedad importante en
aplicaciones en automóviles. Las Figuras 10A y 10B muestran que el
material compuesto de PP y papel tratado con CCA tiene rigidez a
90ºC que es similar a la de los polímeros estirénicos.
Aunque se ha descrito la invención junto con
realizaciones específicas, es evidente que muchas alternativas y
variaciones serán obvias para los expertos en la materia a la luz de
la descripción anteriormente mencionada. Por consiguiente, la
invención pretende abarcar todas las alternativas y variaciones que
caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (29)
1. Un material fibroso y poroso tratado, que se
puede obtener a partir de un material fibroso y poroso no tratado,
tratando el material no tratado con una solución orgánica de baja
viscosidad, comprendiendo dicha solución orgánica de baja
viscosidad:
- (a)
- un disolvente seleccionado de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol;
- (b)
- un componente de isocianato que es un mono- o poli-isocianato;
- (c)
- un peróxido orgánico;
- (d)
- una resina insaturada que es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido, o carboxilo; en el que el material fibroso y poroso no tratado es uno o más del grupo seleccionado de celulosa, lignina, material lignocelulósico y otras biofibras y polvos porosos de origen biológico, o sus mezclas.
2. Un material fibroso y poroso tratado, según
la reivindicación 1, en el que la solución orgánica de baja
viscosidad comprende además uno o más compuestos seleccionados del
grupo consistente en estireno, que puede ser un oligómero o
poliestireno o monómero vinílico.
3. Un material fibroso y poroso tratado, según
la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho componente de isocianato
es poliisocianato.
4. Un material fibroso y poroso tratado, según
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la solución
orgánica de baja viscosidad comprende además uno o más compuestos
seleccionados del grupo consistente en órganosilanos, órganotitanio
y órganocirconio.
5. Un material fibroso y poroso tratado, según
la reivindicación 1, en el que el material fibroso y poroso no
tratado es materia natural basada en celulosa.
6. Un material fibroso y poroso tratado, según
la reivindicación 5, en el que la celulosa está en forma de
fragmentos de madera, papel reciclado, fragmentos o polvo de papel,
serrín, o sus mezclas.
7. Un material fibroso y poroso tratado, según
la reivindicación 6, en el que el material fibroso y poroso no
tratado es papel de periódico.
8. Un material fibroso y poroso tratado, según
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el material
fibroso y poroso no tratado son polvo o fragmentos granulados de 2 a
10 mm.
9. Un método para tratar un material fibroso y
poroso que tiene sitios reactivos originales, comprendiendo el
método mezclar dicho material fibroso y poroso con una solución
orgánica de baja viscosidad, comprendiendo dicha solución orgánica
de baja viscosidad:
- (a)
- un disolvente seleccionado de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol;
- (b)
- un componente de isocianato que es un mono- o poli-isocianato;
- (c)
- un peróxido orgánico;
- (d)
- una resina insaturada que es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido, o carboxilo,
en la que el material fibroso y poroso no
tratado es uno o más del grupo seleccionado de celulosa, lignina,
material lignocelulósico y otras biofibras y polvos poroso de origen
biológico, o sus mezclas.
10. Un método según la reivindicación 9, en el
que la solución orgánica de baja viscosidad comprende además uno o
más compuestos seleccionados del grupo consistente en estireno que
puede ser un olígómero, o poliestireno, o monómero vinílico.
11. Un método según la reivindicación 9 ó 10, en
el que dicho componentes de isocianato es poliisocianato.
12. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, en el que la solución orgánica de baja
viscosidad comprende además uno o más compuestos seleccionados del
grupo consistente en órganosilanos, órganotitanio y
órganocirconio.
13. Un material compuesto que comprende:
un material fibroso y poroso según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8; y un polímero.
14. Un material compuesto según la
reivindicación 13, en el que dicho polímero es uno o más del grupo
consistente en polímeros termoplásticos y termoestables, sus
mezclas o productos multicapas o multicomponentes, o sus
mezclas.
15. Un material compuesto según la
reivindicación 14, en la que dicho polímero es uno o más del grupo
consistente en polietileno y sus copolímeros, polipropileno y sus
copolímeros, poliestireno y sus copolímeros, policarbonato,
siliconas y sus copolímeros, polibutileno, poli(tereftalato
de etileno), poliuretano, resinas epoxídicas, poliésteres
insaturados, resinas de éter y éster vinílico, resinas acrílicas y
sus copolímeros, poliamidas, resinas fenólicas, resinas amínicas,
resinas alquídicas, poliimidas, poliéteres, poli(cloruro de
vinilo) y sus copolímeros, y sus mezclas.
16. Un material compuesto según la
reivindicación 15, en la que la poliamida es nailon.
17. Un material compuesto según cualquiera de
las reivindicaciones 13 a 15, en el que dicho polímero procede de
residuos industriales o domésticos.
18. Un método para preparar un material
compuesto que comprende un material fibroso y poroso y un polímero,
comprendiendo el método:
- (i)
- mezclar dicho material fibroso y poroso con una solución orgánica de baja viscosidad, comprendiendo dicha solución orgánica de baja viscosidad:
- (a)
- un disolvente seleccionado de disolvente halogenado, aromático, alifático, éter, éster, cetona o alcohol;
- (b)
- un componente de isocianato que es un mono- o poli-isocianato;
- (c)
- un peróxido orgánico;
- (d)
- una resina insaturada, que es poliéster que contiene hidroxilo, epóxido, o carboxilo, para producir un material fibroso tratado; en el que el material fibroso y poroso no tratado es uno o más del grupo seleccionado de celulosa, lignina, material lignocelulósico y otras biofibras y polvos porosos de origen biológico, o sus mezclas.
- (ii)
- mezclar dicho material tratado con el polímero;
- (iii)
- calentar la mezcla para fundir dicho polímero; y
- (iv)
- conformar la composición fundida en la forma deseada.
19. Un método según la reivindicación 18, en el
que la solución orgánica de baja viscosidad comprende además uno o
más compuestos seleccionados del grupo consistente en estireno, que
puede ser un oligómero, o poliestereno, o monómero vinílico.
20. Un método según la reivindicación 18 ó 19,
en el que dicho componente de isocianato es poliisocianato.
21. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 20, en el que la solución orgánica de baja
viscosidad comprende además uno o más compuestos seleccionados del
grupo consistente en órganosilanos, órganotitanio y
órganocirconio.
22. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 21, que comprende un paso de secado del
material fibroso tratado antes de su mezcla con el polímero.
23. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 22, en el que los pasos (ii) a (iv) se llevan
a cabo en forma de extrusión.
24. Un producto que se puede obtener a partir de
un material compuesto según una cualquiera de las reivindicaciones
13 a 17, o preparada mediante el método de una cualquiera de las
reivindicaciones 18 a 23.
25. Un producto según la reivindicación 24, que
es un producto de extrusión en línea, un producto de inyección en
línea o pelets.
26. Un producto según la reivindicación 25, que
es una plancha, un tablero, un palé de transporte, una película, un
embellecedor del interior de automóviles o un elemento de
construcción.
27. Un preconformado que se puede obtener del
material compuesto de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17,
dándole forma en un molde, rodillo o cinta continua, para producir
una lámina hecha de dicho material compuesto, o impregnando dicho
material compuesto en una tela tejida o no tejida, para producir una
lámina hecha de dicha tela y dicho material compuesto.
28. Una estructura de un material compuesto que
se puede obtener calentando al menos un preconformado de la
reivindicación 27 hasta un punto de ablandamiento, y haciendo
presión sobre la lámina precalentada en un molde, o que se puede
obtener calentando dos o más preconformados diferentes de la
reivindicación 27 hasta un punto de ablandamiento, y haciendo
presión sobre las láminas precalentadas en un molde, para dar una
estructura multicapas.
29. Una estructura de un material compuesto
según la reivindicación 28, en la que el punto de ablandamiento es
de aproximadamente 130ºC a aproximadamente 230ºC.
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